回顧:Intel最令人難忘16款X86處理器


回顧:Intel最令人難忘16款X86處理器

2021-01-12 泡泡網

它是第一款具備內存管理單元(MMU)的x86,可以管理虛擬內存。就像8086,它擁有一個浮點單元(FPU),但可以搭配x87協同處理器(80287)。Intel以最高12.5MHz的頻率提供這些協同處理器,而競爭對手則達到25MHz。

386:首款32位處理器與高速緩存

Intel的80836是第一款採用32位架構的x86。這顆處理器提供數種版本。其中最知名的兩款是擁有16位數據總線的386SX(單字組eXternal),以及具備32位數據總線的386DX(雙字組eXternal)。

不過其他兩個版本也值得一提:SL是提供快取(外部)管理功能的第一款x86,以及用於太空計劃(哈伯望遠鏡使用這顆處理器)的386EX。

486:加入FPU與倍頻器

486象徵真正處理器的時代的來臨。事實上,著名的486DX2/66長久以來就被視爲遊戲玩家的最低組態。於1989年推出的這款處理器導入數項有趣的新功能,例如晶片內建FPU、數據快取與第一個頻率倍頻器,它包含內建到486DX(SX則否)系列的一顆x87協同處理器。處理器內建一8KBLevel1快取(直接寫入write-through)。主板上也可以加裝L2緩存(以總線頻率運作)。

第二代486擁有一個CPU倍頻器,因爲處理器運作速度比FSB還快;其中包括DX2(2x倍頻)與DX4(3x倍頻)版本。另一件軼事是:以486SX的FPU產品銷售的487SX,事實上只是顆關閉並取代486SX運作的完整486DX。DX4擁有一16KB快取與稍多的電晶體:160萬。採用600nm製程、面積76mm²的這顆處理器的耗電低於原始486(電壓3.3V)。

Intel Pentium:麻煩的BUG+更改名稱

於1993誕生的Pentium引人感興趣的理由不只一點。這是第一款舍傳統型號而採用更具吸引力名稱的第一款x86,原因是Intel無法以純數字組成的名稱取得商標。Pentium爲人熟知之處還在於其內含的一個bug。在第一代Pentium中,特定除法作業會產生不正確的結果。Intel替換了這些處理器,但傷害已然造成,這個非常罕見的錯誤引起IT媒體的首次軒然大波。

Pentium是以三種不同版本銷售,第一款不具備CPU倍頻器、第二款具備倍頻器(包含爲人熟悉的Pentium166)與最後一款具備針對x86設計的SIMD指令集MMX。PentiumMMX也增加了L1緩存的大小,並導入數個小幅改良,這是可平行執行兩個指令的首顆Intelx86。L2快取則放在這些處理器安裝的主板上(FSB的頻率)。

在此解釋下Pentium這個BUG:當使用FPU進行特定計算時,會出現錯誤的結果,出現的情況相當罕見,不過消息來源對於罕見機率的看法不一,但Intel仍是免費替換瑕疵的處理器。以下是Pentium發生錯誤的範例:
4195835.0/3145727.0=1.333820449136241002(正確結果)。4195835.0/3145727.0=1.333739068902037589(瑕疵Pentium的錯誤結果)。

Pentium Pro:管理4GB以上內存的第一款處理器

於1995年發布的Pentium Pro是可透過Physical Address Extension(PAE)管理超過4GB RAM(36位地址大小)的x86CPU-即上限等於64GB。有趣的一點是這顆處理器也是第一顆P6(Core2處理器部分技術的衍生來源),也是第一款L2緩存放在處理器本身而非主板上的第一款x86。事實上256KB到1MB之間的L2緩存放在CPU旁(於相同腳座上)-放在相同封裝上而非處理器上,跑的頻率和CPU相同頻率。

然而這顆處理器存在一些性能上的問題。它跑32位系統時表現優異,但在執行以16位(就像Windows95)撰寫的軟體時就慢了許多。原因很簡單:16位緩存器(register)的存取造成32位緩存器的管理問題,抵銷了Pentium Pro亂序(out-of-order)架構的優勢。

Pentium II與III:兄弟血緣

1997年發布的Pentium II是針對一般大衆市場、從Pentium Pro產品修改而來。它相當類似Pentium Pro,但高速緩存則大不相同。512KB的L2緩存,但不與處理器相同的頻率,而是以CPU一半的頻率運作。此外,Pentium II放棄了傳統的socket腳座而改以卡匣搭載處理器與L2緩存(快取在卡匣上,而非在主板或處理器上)。

較之Pentium Pro的新特色主要是MMX(SIMD)支持與L1緩存加倍。第一款Pentium III(Katmai)相當類似Pentium II。於1999年推出的這顆CPU的新功能在於支持SSE(SIMD指令),但其他功能類似。

Pentium II與III擁有512KB L2緩存(3100萬電晶體)。其中一顆Pentium II在處理器上內建256KB L2緩存-Pentium II Mobile Dixon,使用180nm製程的這顆處理器比桌上型版本快上許多。

Celeron與Xeon:Intel鎖定低端/高端

Intel在1990年代末推出該公司兩個最知名的處理器品牌:Celeron與Xeon。前者是鎖定低成本市場,後者則是鎖定伺服器與部分工作站。第一款Celeron(Covington)是一顆不具L2緩存的Pentium II,但遭遇性能差勁的問題;而Pentium II Xeon擁有大量緩存。這兩個品牌到現在仍存在-Celeron專攻低端市場(通常採用較少緩存與較慢的FSB),而Xeon主打伺服器(採用較快FSB-有時候具備較多的緩存-與高頻率速度)。

此外Intel立即爲Celeron的Mendocino型號加上緩存(128KB)。Celeron300A以其超頻能力知名,大多數可以超出其額定默認頻率50%以上。

就像Pentium II,Xeon在處理器卡匣內安置外部L2緩存。它的容量在512KB與2MB之間,電晶體數在3100萬到12400萬之間。

Pentium III:主頻高達1GHz

Pentium III Coppermine是Intel達到1GHz主頻的第一款商用x86處理器,後來甚至還推出1.13GHz版本,但由於不夠穩定而迅速退市。這個Pentium III的新版本改良了L2緩存-將緩存移到處理器晶體上(on-die)。它的速度比第一款型號的外部512KB來得快,並標榜具有可加速Internet體驗的功能。

它推出了三種版本:伺服器(Xeon)、初級(Celeron)與移動版(具備第一版SpeedStep)。稍微改良版本(Tualatin)-具備更多的L2緩存(512KB)並著重130nm製程-於2002年推出。基本上是針對伺服器(PIII-S)與移動設計的這顆處理器,較少見於消費者級的計算機。

Pentium 4:大失所望—高頻帶來低性能

Intel於2000年11月發布新款處理器Pentium 4。擁有較高主頻(至少1400MHz),這顆處理器有一重大缺點:就是每頻率性能較低,它比不上競爭對手的CPU型號,AMD的Athlon(甚至是Pentium III)在相同頻率下的表現比P4更好。讓情況更爲雪上加霜的是,Intel嘗試移轉爲Rambus的RDRAM內存(當時可滿足CPU FSB需求的唯一內存技術),但未能成功。但是又貴又熱的Pentium 4總算仍以多次改版,保持與對手競爭力數年。

Intel銷售Pentium4的移動版本(採用多種倍頻)、Celeron版本(L2緩存較小)與Xeon版本(具備L3緩存)。Hyper-Threading與L3緩存是先出現在伺服器上、然後修改爲標準處理器(不過L3緩存當時只在高價的EE型號上提供)的兩項技術。

我們也應該提到的是FSB。它的頻率爲名義上頻率的四分之一,但使用所謂的Quad DataRate(QDR四倍速)技術-400MHz總線實際上爲100MHz QDR、533MHz爲133MHz QDR,依此類推。最後,Pentium 4的64位在2005年出現,不過我們稍後再談這些。

Pentium M:讓筆記本續航更持久

2003年的筆記本市場逐漸興起,但Intel只有兩款移動處理器:老舊的Pentium III Tualatin與Pentium 4-後者的高功耗也不適合用於筆記本。但救星從Israel出現:Banias(別名Pentium M)。基於P6架構(與Pentium Pro相同架構)的這款產品擁有高效能與低功耗,它甚至還擊敗了Pentium 4,同時耗電較低。這就是Centrino平台採用的處理器,後來不久(2004年)就出現更快的Dothan型號後輩。

Pentium M在移動處理器世界裡留下典範,Stealey(A100)仍採用Dothan架構(頻率與TDP較低)。如同Pentium 4一樣,FSB實際上是以標示頻率四分之一的頻率運作(QDR)。處理器腳位則是採用Socket479,但實際上只有478pin,不過它們的排列方式與Pentium 4的Socket478不同(雖然後來有轉接器問世)。

Pentium 4:64位處理器+雙核心

Intel在2005年兩度改良Pentium 4。首先是Prescott-2M,再來是Smithfield。前者是一款64位處理器(基於Prescott設計),後者則是一顆雙核處理器,它們相當類似,並存在與其他Pentium 4一樣的問題:每周期低指令數(IPC)吞吐量(throughput),以及因電流損失而難以增加頻率頻率。旨在限制電流損失並等待Core 2 Duo出爐的這兩款處理器,並非Intel高度重視的產品。雖然Pentium D(Smithfield的商業發行名稱)擁有兩個核心,但事實上它只是由相同封裝里的兩個Prescott裸晶組合而成。

有趣的一點是,針對消費者市場的Pentium 4處理器並未使用PAE技術(支持36位內存管理)並因此局限爲4GB RAM,但實際上這些型號可以超越這個限制。事實上,地址總線仍限制爲36位(Xeon爲40位),但PAE(4GB頁面的管理)現已成歷史-64位程序可以完全利用到所有的可用內存。

身爲Intel SMT技術的Hyper-Threading也在特定型號上提供(Xeon與ExtremeEdition)。最後,Pentium4的65nm版本(9×0系列)在稍後推出,但並無重大改良。

Intel Core Duo:第一款移動版雙核處理器

Intel於2006年發布了Core Duo處理器。針對移動PC設計的第一款雙核處理器具有優異的性能(高出Pentium 4許多)。這也是真正雙核設計的第一款x86處理器,緩存則是共享的(Pentium D較像是兩顆處理器放在相同封裝中的組合)。這顆處理器也是Centrino Duo平台的構成組件之一,唯一缺點是它仍然是32位,不同於Pentium 4。

Intel也提供只有單核的Core Solo版本,而低耗電版本採用533MHz總線(133MHz QDR),而非桌上型的667MHz。這顆處理器也用於伺服器(代號Sossaman),這是針對移動設計的處理器首次如此應用。要注意的是這顆處理器並未正式使用Core 2 Duo中的Core架構,它不久就被移動PC使用的Core 2 Duo(Merom)取代,而Yonah的Socket479也不同於Pentium M處理器的Socket479。

Intel Core 2 Duo:時下最熱門的雙核處理器

Intel於2006年推出一款迅速成爲銷售冠軍的處理器:Core 2 Duo。衍生自Pentium M的技術,這顆處理器採用新的Core架構。在此之前Intel擁有兩個處理器產品系列-桌上型Pentium 4與移動型Pentium M,而兩種都用於伺服器環境。相較之下,Intel目前所有產品線市場都共享的單一微架構-64位Core 2 Duo存在從低端到高端的桌上型、移動型與伺服器版本。

此架構出現許多版本,形成以不同核心數(一到四,從Solo到Quad)、高速緩存(512KB到12MB)與FSB(400到1600MHz之間)組合而成的不同組態。

移動版本(Merom)基本上並無二致(但速度較低,FSB較慢),而Extreme Edition版本跑得較快。Core 2 Duo也存在四核心版本,事實上它是相同封裝中用上兩顆Conroe。Core 2 Duo(Penryn)的45nm版本擁有較大緩存、更低耗能,設計還是類似65nm。

Intel Atom:最省電+最便宜45nm Intel X86處理器

Atom處理器將最現代的功能(EM64T,SSSE3等)移植到了老處理器架構中。從奔騰系列以來Atom是第一款「順序執行」即in-order X86架構。凌動處理器是能耗低於3瓦晶片中速度最快的處理器。它基於酷睿2雙內核(Core 2 Duo)微架構,採用45納米工藝製造。

型 號

主 頻

二級緩存

前端總線

技術開發計劃

Z500

800兆赫

512KB

400

0.65瓦

Z510

1.1GHz的

512KB

400

2W

Z520

1.33GHz的

512KB

533

2W

Z530

1.6GHz的

512KB

533

2W

Z540

1.86GHz

512KB

533

2.4瓦

N230

1.66GHz

512KB

533

4W

N270

1.66GHz

512KB

533

2W

Intel Atom的優勢

第一:使用45納米工藝生產,保留了Core 2 Duo指令集功能,象支持多線程。晶片可以做到很微小,更好的應用在外形更小的設備上。

第二:Atom所有產品的功耗在0.6W-4W之間,閒置時最低可達30mW,是一款不折不扣的環保型產品。

第三:Atom處理器的成本非常便宜,大約只是製造一顆286-386級別的處理器,最便宜的型號,只需要29美金。

Intel Atom的缺點

第一:採用「順序架構」設計爲向低功耗妥協,在某種情況下與「亂序架構」設計的產品,效率落後5倍之多。處理器外頻只有533Mhz,目前主流內存都要自動降爲533MHz使用,影響性能。

第二:與之兼容的Intel平台性能技術落後,內置顯示晶片3D性能弱,無法解決1080P視頻流暢運行的性能所需。此外主板晶片功耗太高,相比處理器功耗相比高達5-10倍之多。

第三:目前無更新的平台可更換,沒有PCI-E高速插槽拓展,無法外接顯卡,此外英特爾Atom是個相對較封閉的平台。

英特爾 Core i7:目前史上最強的Intel處理器

Nehalem作爲英特爾第一款原生4核處理器, 採用45納米製造工藝,內置內存控制器,擁有4x256KBbytes二級高速緩存,8M三級共享緩存。通過SMT技術,可將物理4核虛擬成8邏輯核心、三通道DDR3內存通過QPI連接,同時新增7條的SSE 4指令集。

Nehalem架構處理器的產品代號爲Bloomfield,有別於之前的命名,英文品牌名爲CORE i7,但中文品牌名字還叫「酷睿」。初期上市的產品有三款,分別是Core i7-920、Core i7-940和Core i7-965 XE。

酷睿i7 920

酷睿i7 940

酷睿i7至尊版965

產品編碼

BX80601920

BX80601940

BX80601965

製程

45納米

45納米

45納米

接口

LGA 1366

LGA 1366

LGA 1366

電晶體數

7.31億

7.31億

7.31億

核心線程數

4核8線程

4核8線程

4核8線程

主頻

2.66GHz

2.93GHz

3.2GHz的

二級緩存

4x256KB

4x256KB

4x256KB

三級緩存

8MB

8MB

8MB

QPI總線

4.8GT /秒

4.8GT /秒

6.4GT /秒

內存控制器

三通道DDR3-1066

三通道DDR3-1066

三通道DDR3-1066

技術開發計劃

130瓦

130瓦

130瓦

售價

284美元

562美元

999美元

Nehalem處理器架構的七大改變:

1、革命性的動態管理核心數量,線程,緩存,核心可以通過系統負載,在單邏輯核心到八邏輯核心動態轉換,以達到節能的效果。

2、超線程(SMT)技術的加入,可以在同樣的功耗情況下有效提升CPU性能。SMT技術可以是一個物理核心同時運行兩個線程,即模擬出兩個邏輯核心。最高可雙路4物理核心處理器模擬16邏輯處理器。

3、SSE4指令集再提高,並新加入7條指令集,有效提升XML,sring和文本處理的性能。

4、一二級超低延時緩存設計,共享式三級緩存設計可有效配合CPU的運算。

5、三通道內存技術,有效提高內存帶寬,相比前代產品最高提高4倍帶寬。

6、由於內存控制器集成在CPU中,可以降低延時,提高系統性能。

7、革命性的架構下帶來的能耗比表現,在更少的電力需求情況下得到更強的性能表現。並從Nehalem開始,未來處理器微架構都會根據這個理念設計。

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本文產品

英特爾 酷睿 i7 Extreme Edition 965(盒)更多產品信息>>

CPU名稱:Intel Core i7 Extreme Edition 965 3.2GHz核心類型:Nehalem Bloomfield接口類型:LGA 1366CPU核心:四核心八線程製程工藝:45納米CPU頻率:3.2GHz